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恒溫槽作為一種非常常規(guī)且常見的恒溫裝置,已被廣泛應(yīng)用于生物技術(shù)、化學、半導(dǎo)體、醫(yī)療技術(shù)、汽車、航空航天等眾多領(lǐng)域。如圖1所示,在面對恒溫槽的選擇和使用情況下,參數(shù)設(shè)定需要考慮眾多實際問題。每一項恒溫槽參數(shù)的背后都會有1-2項機械或物性參數(shù)對其影響,如循環(huán)泵揚程和流量都需要綜合考慮泵性能曲線及恒溫介質(zhì)的物性等參數(shù)。
圖1 恒溫槽參數(shù)及影響因素
在選擇和使用恒溫槽時,需要考慮流體流動狀態(tài)、介質(zhì)選擇和換熱效率等參數(shù)。本文,我們從流體流動先來講一講。
關(guān)于液體的流動性
恒眾所周知的,流體的流動性好不好,我們必然會考慮的就是流體粘不粘,也就是粘度。粘度分為動力粘度(μ)和運動粘度(ν),兩者的換算方式為:
μ = ν × ρ
即 動力粘度 = 運動粘度 × 介質(zhì)密度
注意:ρ:g/cm3;μ:mPa·s;ν:cSt;或者ρ:kg/m3;μ:Pa·s;ν:m2/s
動力粘度通常使用的單位為泊(P)、厘泊(cP)、毫帕秒(mPa·s)和帕秒(Pa·s)等,相互之間的換算關(guān)系如下:
1 P = 100 cP = 0.1 Pa·s = 100 mPa·s
運動粘度通常使用的單位為m2/s、斯(St)和厘斯(cSt)等,相互之間的換算關(guān)系如下:
1 m2/s = 104 St = 106cSt
液體怎么在管道內(nèi)流動
圖2 某管道內(nèi)流體流動示意圖
如圖2所示,流體在管道中的流動遵循流體的機械能守恒獲得流體流動的方程。即:壓力勢能+動能+重力勢能=常數(shù)。如圖2所示管道內(nèi)流動過程,在理想狀態(tài)下,1點位和2點位的能量應(yīng)該是守恒的,即:
然而實際情況下,由于摩擦等存在,從1點位流到2點位必然會有能量損失,因此為了能夠使等式成立,往往需要考慮在前端施加動力,在后端考慮損失。正因此,泵可以給流體提供外加壓頭,而管道尺寸、形狀、變徑、彎頭、閥門等等均會產(chǎn)生管道阻力而產(chǎn)生壓頭損失,因此對上式變形可得:
其中,以圖2為例,等式從左到右八項分別為 1點靜壓頭、1點動壓頭、1點位壓頭、外加壓頭、2點靜壓頭、2點動壓頭、2點位壓頭、壓頭損失。
由此,我們可以得到以下結(jié)論
1、流體的流速、流量均與動力粘度成反比;
2、壓降與動力粘度成正比;
3、流體的粘度越大,則表示流體的流動性越差;
4、外循環(huán)管路過長、過細、有過多管道連接件都會導(dǎo)致大量的能量損失而阻礙流動;
5、當外負載管路阻力較高時應(yīng)考慮升高泵壓。
關(guān)于雷諾數(shù)——Re
此外,在管道內(nèi)流動時,我們?nèi)绾卧u估流體的粘度對流動影響是否嚴重以及流體的流動狀態(tài)呢?我們需要引入一個無量綱參數(shù),雷諾數(shù)——Re,其計算方式如下:
Re=duρ/μ
其中,d為管道的當量直徑,μ為流體的粘度、ρ為流體的密度、u為流體的流速。根據(jù)Re的從小到大,可以將流體的流動狀態(tài)分為層流、過渡流和湍流,如果想要流體在流動的過程中有充分的返混,那么需要加大雷諾數(shù)是流體進入湍流;如果想要層層推進,沒有返混那么就要讓流體流動緩慢,處于層流狀態(tài)。
那么層流和湍流對于恒溫有什么影響呢?讓我們留個小懸念,我們下次再討論~
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